Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de...

1. Razón de ser de los escudos

1.1. Resumen histórico de la tecnología

de los escudos

La excavación con tuneladoras en suelos y terre-

nos inestables, en general, se resolvió con los “escu-

dos” (en inglés, “shields”), denominación aplicada a

máquinas de túnel, cuyos elementos principales son

los siguientes (Figura 1).

• Una coraza o “escudo” de acero para proteger

la máquina y, a la vez, sostener el terreno hasta

que va siendo sustituida por el revestimiento pre-

fabricado, según progresa el avance de cada

módulo.

• El corte mecánico del terreno con herramientasmanuales, (hasta que se implantó su mecaniza-

Revista de Obras Públicas/ISSN: 0034-8619/ISSN electrónico: 1695-4408/Octubre 2011/Nº 3.525 6767 a 86

Hidroescudos y tuneladoras E.P.B.Campos de utilización

Recibido: agosto/2011. Aprobado: agosto/2011Se admiten comentarios a este artículo, que deberán ser remitidos a la Redacción de la ROP antes del 30 de diciembre de 2011.

Resumen: Los autores hacen un Resumen histórico de la tecnología de los escudos, hasta la aparición de lostipos modernos de máquinas presurizadas. Exponen seguidamente las bases de la utilización tanto de losHidroescudos como de los Escudos EPB, así como la caracterización de los campos clásicos de su utilización.Finalmente se refieren a la posible ampliación de dichos campos de aplicación, así como al resurgir de losescudos de tipo dual, para terminar con una propuesta clara de conclusiones sobre los temas tratados. Esta comunicación se expuso en Madrid, en la Jornada Técnica de divulgación sobre PROCEDIMIENTOS

DE CONSTRUCCIÓN Y EQUIPOS DE SEGURIDAD DE TÚNELES, organizada por EXPOMATEC y AETOS en Mayo 2011.

Abstract: The authors give a historical overview of shield technology, up to the appearance of the modern typesof pressurized machines. They then explain the foundations for the use of both Hydroshields and EPB shields, as wellas the classical areas of application. Finally, they refer to the possible extension of these areas of application, aswell as the resurgence of dual type shields, ending with a clear proposal of conclusions regarding the issuescovered. This communication was presented in Madrid at the Technical Conference on TUNNEL CONSTRUCTION

PROCEDURES AND SAFETY EQUIPMENT, organized by EXPOMATEC and AETOS in May 2011.

Felipe Mendaña Saavedra. Dr. Ingeniero Caminos, Canales y PuertosPresidente ejecutivo de SPICC, S.L. Madrid (España). fms@spícc.e.telefonica.netRamón Fernández Martínez. Ingeniero Técnico IndustrialDirector técnico de SPICC, S.L. Madrid (España). rfm@spícc.e.telefonica.net

Palabras Clave: Historia de los escudos; Presurización del túnel; Frentes inestables; Tiempo de descompresión; Lodo; Bentonita; Planta de separación; Bolos; Tornillo sin fin; Aditivos; Productos tensoactivos (o espumas); Polímeros desestructurantes; Polímeros reductores de agua; Escudos de tipo dual

Keywords: Shield historical overview; Tunnel pressurization; Unstable fronts; Decompression time; Slurry; Bentonite; Separation plant; Boulders; Screw conveyor; Additives; Surfactant products (foams); Destructuring polymers; Water-reducing polymers; Dual shields models

Monográfico

Hydroshields and E.P.B. tunnel boring machines. Areas of application

TúnelesRevista de Obras Públicasnº 3.525. Año 158Octubre 2011ISSN: 0034-8619ISSN electrónico: 1695-4408

1. Rationale for shields

1.1. Historical overview of shield technology

The excavation with tunnel boring machines in

unstable soils and terrain, in general, was resolved with

“shields”, the name give to tunnel boring machines

whose main elements are the following (Figure 1).

• A steel shell or “shield” to protect the machine

and, at the same time, hold up the terrain until that

is replaced by the prefabricated lining as the

advance of each module progresses.

• The mechanical cutting of the ground with manualtools (unti l their total mechanization was

introduced): the operators worked in enclosures

with a small cross-section, an indirect way of

reducing the effects of the instability of the terrain.

ción total): los operarios trabajaban en recintos

de pequeña sección, una forma indirecta de re-

ducir los efectos de la inestabilidad del terreno.

• El equipo de empuje contra el frente, constituido

por cilindros hidráulicos que permiten avanzar la

máquina, para lo cual reaccionan contra el mó-

dulo de revestimiento recién colocado.

Este sistema de empuje, junto con el equipo de co-locación de las dovelas del revestimiento prefabri-cado, fueron los únicos mecanismos de los escudos,

ambos accionados por motores, primero de vapor y

después neumáticos o hidráulicos, hasta 1890-99, en

que se fue implantando la mecanización total del

arranque o excavación en el frente. (1)

Para la mecanización del arranque se emplea-

ron, primero, equipos de excavación de brazos ro-zadores o de tipo “retro”, con lo que la sección del

túnel, y por tanto la del “escudo”, podía tener una

forma cualquiera.Pues bien, la posibilidad de adoptar formas en

“herradura”, como la del escudo de la Figura 2, clá-

Mendaña, F., Fernández, R.

68 Revista de Obras Públicas/ISSN: 0034-8619/ISSN electrónico: 1695-4408/Octubre 2011/Nº 3.525 67 a 86

Fig. 1. EscudoBeach (≈1890)

deaccionamiento

hidráulico/TheBeach

Hydraulic Shield.

(1) Hay referencias comprobadas de túneles construidos con es-cudos en los años 1860-70 como es el caso de la máquina deGreathead de 1869. Existen relatos anteriores, de veracidad muydudosa, siendo el más antiguo el relativo a una máquina, atribui-da a Brunel, con la que en 1818 se intentó excavar un túnel bajoel Támesis, sufriendo un hundimiento general con inundación yvictimas, que impidió la ejecución de la obra.

• The equipment for thrusting against the front,consisting of hydraulic cylinders which enable the

machine to advance, for which purpose they

react against the newly placed lining module.

This thrust system, along with the equipment forplacing the prefabricated lining segments, were

the shields’ only mechanisms, both driven by

engines, first steam and later pneumatic and

hydraulic, unti l 1890-99, when the total

mechanization of extraction or excavation at the

front was introduced(1).

For the mechanization of extraction, scraper armor “retro” type excavation equipment was first used,

with which the tunnel section and, therefore, that of

the “shield” could be any shape.However, the possibility of adopting “horseshoe”

shapes, like that of Figure 2, classical until that time, if

not unique, in the construction of tunnels, was

considered an undoubted advantage at the time. For

this reason it was not until 1945-50 that machines with

cutting wheels and, therefore, the circular section of

(1) There are proven references to tunnels built with shields in1860’s, as in the case of the Greathead machine of 1869. Thereare earlier accounts, of doubtful veracity, the earliest being thatreferring to a machine attributed to Brunel, with which anattempt was made in 1818 to excavate a tunnel under theThames, which suffered an overall collapse with flooding andvictims, preventing the project from being completed.

sicas hasta entonces, por no decir únicas, en la

construcción de túneles, se interpretó en la época

como una ventaja indudable. Ello fue la causa del

retraso hasta 1945-50 de la aparición de las máqui-

nas con Rueda de corte y, por tanto, de la seccióncircular de los túneles, cuya adopción preferente

tardó bastante más en producirse.

Puede decirse, por ello, que la forma circular de

la sección hubo de coexistir durante años en igual-

dad de condiciones con las anteriores, hasta la

aparición de los escudos presurizados o, mejor di-

cho, de los “escudos de frente en presión”, tanto si

se trata de los “hidroescudos” o “escudos de frenteen presión de lodos” (1965-70), como de los “escu-dos de frente en presión de tierras” o “escudosE.P.B.” (1985-90), tuneladoras a las que se refiere es-

ta Comunicación, orientada especialmente a tratar

lo relativo a los campos de aplicación de uno u otro

tipo de máquina(2).

1.2. La necesidad de los escudos de frente en presión

Hasta 1965-70, para excavar túneles con frentes

inestables, debido tanto a la baja calidad de los terre-

nos como, sobre todo, a la carga de agua del freáti-

co, los escudos hubieron de trabajar al amparo de la

presurización integral del túnel con aire comprimido.El inicio de la presurización integral puede situarse

en los años 1870-80, y su excepcional duración, de

cerca de 100 años, como única tecnología para la

contención de los frentes inestables en terrenos satu-rados, se explica, básicamente, por la difícil y lenta im-

plantación a nivel internacional de normas relativas a

la Higiene y Seguridad en el trabajo, hecho que suce-

dió no sólo en la construcción civil, sino, en general, en

todas las actividades industriales y, particularmente en

la minería, que tiene múltiples aspectos comunes con

las obras subterráneas de la ingeniería civil.

Por ello, puede decirse que es después de la Se-

gunda Guerra mundial, a partir de los años 1950-60,

cuando puede hablarse de un reconocimiento serio

de las razones contrarias al trabajo prolongado en

condiciones hiperbáricas, razones que pueden resu-

mirse así:

Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilizaciónHydroshields and E.P.B. tunnel boring machines. Areas of application


(2) Los “hidroescudos” reciben en inglés la denominación de“mixshields”. En cuanto a, las siglas E.P.B. aplicadas a los escudosde frente en presión de tierras, son las iniciales de su denomina-ción inglesa “Earth Pressure Balance Machines”.

tunnels first appeared, it being a good deal longer

until their preferential use came about.

Therefore, it can be said that the circular shape of

the section had to coexist with the previous ones for

years on an equal footing, until the appearance of

pressurized shields or, rather, “pressure front shields”,whether these be “mixshields” or “mud pressurebalance shields” (1965-70), or “earth pressurebalance shields” or “E.P.B. shields” (1985-90), the TBM’s

referred to in this Communication, aimed particularly

at dealing with the areas of application of one or

other type of machine(2).

1.2. The need for earth pressure balance shields

Until 1965-70, to excavate tunnels with unstable

fronts, due both to the low quality of the terrain and,

above all, to the burden of the water table, shields

had to work under total pressurization of the tunnelwith compressed air.

The beginnings of total pressurization can be

situated in the 1870’s and its exceptionally long

duration of around 100 years, as the only technology

for the containment of unstable fronts in saturatedsoils, can basically be explained by the slow and

difficult introduction at an international level of rules

(2) “Slurry Pressure Shields” are known as “Mixshields” (sometimesas “Hydroshields” as in English. E.P.B. stands for “Earth PressureBalance Machines”.

Fig. 2. Escudo conbrazos de tiporozador yretroexcavador/Roadheader /Retro boom typeShield.

• El trabajo continuado bajo presiones hiperbári-cas afecta gravemente a la salud.

• Además, en terrenos con frentes en materiales“permeables al aire”; como es el caso de los

suelos granulares no cohesivos, existe un altoriesgo de accidentes muy graves con posiblepérdida de vidas, debido a la inestabilidad total

que se produciría en el túnel por la probable ro-

tura del frente a través de los terrenos citados.

• Por otra parte, los rendimientos logrados fueronsiempre muy limitados porque la entrada al tú-nel del personal y de los vehículos había de ha-cerse a través de esclusas para mantener la

presión, lo que obligaba a una pérdida notable

de tiempo.

• Finalmente, aún trabajando por debajo de los 3Bar, las Normas internacionales exigen que lostiempos de descompresión se acerquen a las 4horas, lo que, al disponer sólo de 2 a 3 horas útiles

por turno, hacía antieconómico el sistema, como

puede apreciarse en la Tabla nº 1.

2. De los prototipos a la tipología actual

de los escudos presurizados

Los primeros intentos de la industria de maquina-

ria para abandonar la presurización integral del tú-

nel fue presurizar exclusivamente con aire el terrenodel frente o, más propiamente, el espacio entre la



regarding health and safety at work, something which

occurred not only in civil construction but, in general,

in all industrial activities and particularly in mining,

which has many common aspects with underground

civil engineering work.

Therefore it can be said that it is not until after the

Second World War, in the 1950’s, that we can talk

about the serious recognition of the reasons against

prolonged work in hyperbaric conditions, which can

be summarized as follows:

• Continuous work under hyperbaric pressures hasserious affects on health.

• Moreover, in terrain with fronts in material“permeable to air”; as in the case of non-cohesive

granular soils, there is a high risk of very seriousaccidents with possible loss of life, due to the total

instability that would be caused in the tunnel by

the probable breakage of the front through the

aforementioned terrain.

• On the other hand, the yields achieved werealways very limited because the entry of staff andvehicles to the tunnels had to be via airlocks in

order to maintain the pressure, causing a

significant loss of time.

• Finally, even working at below 3 Bar, internationalstandards require decompression times of around4 hours, meaning there were only 2 to 3 useful

hours per shift, making the system uneconomic, as

shown in Table nº 1.

Presión maxª Tiempo maxº(m columna de agua) Tiempos de descompresión en minutos según horas de exposición (h) de exposición

Max. Press. Decompression minutes time a. exposition hours time Maximun expo.Waterhead m (h) time

- 0,5 h 1 h 1,5 h 2 h 2,5 h 3 h 3,5 h > 4 h -

12 4 4 9 14 24 29 39 44 9.25

16 5 10 25 45 60 70 80 90 8.50

20 11 26 56 76 96 106 116 136 7.75

24 12 42 82 107 127 137 157 187 6.75

28 18 68 113 138 153 168 183 253 5.75

32 24 89 134 164 184 199 219 344 4.25

Tabla nº 1. Condiciones de trabajo con aire comprimido/Table nº 1. Air compressed working conditions

Rueda de corte y un mamparo (espacio denomina-

do “cámara de tierras” o simplemente “cámara”)

para aislarlo del resto de la máquina, donde los

operarios pudieran trabajar a presión atmosférica.

Ya se comprende que el riesgo de rotura del te-rreno en el caso de excavar zonas o bolsas demateriales granulares no cohesivos, que son los

que presentan “permeabilidad al aire”, seguíaexistiendo, y fue por ello que los trabajos de investi-

gación de nuevos equipos hubieron de orientarse

por otras vías.

La presurización neumática de la cámara se

aplica hoy día solamente para entrar en ella y ha-cer la revisión de la Rueda y la reposición de he-rramientas, es decir, solo en operaciones auxiliares

de duración limitada y siempre con la máquinaparada.

2.1. Los escudos de frente en presión de lodos

o hidroescudos

Las primeras investigaciones se dirigieron, como

es natural, a resolver el problema planteado por los

mencionados materiales no cohesivos. En los traba-

jos de ensayos en factoría y en túneles de prueba se

pudo comprobar, con relativa rapidez, que la per-meabilidad no existía si en vez de aire se presuriza-ba la cámara con agua y, por supuesto, menosaún si se usaba un lodo arcilloso bombeable.

La razón de emplear un lodo arcilloso bombea-

ble era no sólo para mantener la presión sin pérdi-

das a través del terreno granular del frente, sino

también para resolver el transporte hidráulico de lamezcla de suelo y lodo es decir, el transporte hi-

dráulico de un “lodo espeso” pero bombeable, sin

desgastes excesivos de las tuberías de transporte.

Así nació la tecnología de los “hidroescudos”, en los

que la Rueda de corte trabaja dentro de un circuito

cerrado de bombeo de un lodo a presión: la bom-ba principal del escudo, acoplada al mamparo as-pira la mezcla de la cámara y la envía por la tube-ría de descarga hasta el exterior, donde se pasa

por una Planta de separación, en la que se recupe-

ra el lodo, a la vez que se obtiene el escombro de la

excavación para su transporte a vertedero. El lodo“fresco” se envía de nuevo a la cámara por la tube-ría de alimentación del circuito y se va mezclando

con el terreno excavado en la cámara frontal del

escudo según progresa el avance (Figura 3).



2. From prototypes to the current types of pressurized

shields

The first attempts of the machinery industry to

break away from the total pressurization of tunnels

were to pressurize exclusively with air the terrain of thefront or, more accurately speaking, the space

between the cutting wheel and a bulkhead (a space

called the “earth chamber” or just “chamber”), in

order to isolate it from the rest of the machine, where

the operators could work at atmospheric pressure.

It is now understood that the risk of breakage ofthe terrain in the event of excavating areas or pocketsof non-cohesive granular materials, which are those

with “air permeability”, still existed, and therefore

research into new equipment had to focus on

different channels.

Nowadays, the pneumatic pressurization of thechamber is only applied when it is necessary to enter

the same and carry out the inspection of the wheeland replacement of tools, i .e. only in auxil iary

operations of limited duration and always with themachine stopped.

2.1. Mud pressure balance shields or mixshields

The earliest research was naturally aimed at

solving the problem posed by the aforementionednon-cohesive materials. In the factory and test-tunnel

trials it was possible to demonstrate, relatively quickly,

that permeability did not exist if the chamber waspressurized with water instead of air and, of course,even less so if a pumpable clay slurry was used.

The reason for using pumpable clay slurry was not

only to maintain the pressure with no losses through

the granular terrain of the front, but also to resolve the

hydraulic transport of the soil-slurry mixture, i.e. the

hydraulic transport of a “thick but pumpable slurry”,without excessive wear of the pipelines. This lead to

the technology of “mixshields”, in which the cutting

wheel works within a closed circuit for the pumping of

pressurized slurry: the main pump of the shield,

attached to the bulkhead, sucks the mixture from thechamber and sends it through the discharge pipe to

the outside, where it goes through a separation plant,where the slurry is recovered, while the excavation

debris is obtained for transport to landfill. The “fresh”slurry is sent back to the chamber through the feedpipe of the circuit and is mixed with the soil excavated

Otra ventaja de este sistema es que el flujo delodo a presión ocupa no solo la cámara, sino tam-

bién el “gap” entre escudo y terreno, con lo que seconsigue reducir a un mínimo los asientos.

Las primeras máquinas, de tecnología japonesa(1965-70), adoptaron ruedas bastante cerradas yutilizaban lodos de cualquier tipo de arcilla (se de-

nominaron en ingles “slurry shields”). Mantenían ladebida regularidad de presión en el circuito, va-riando automáticamente el caudal de las bombashasta recuperar la presión establecida.

Por otra parte, desde los primeros años de la déca-da 1990-99, la tecnología alemana, a la vez que pre-

sentaba Ruedas de corte con mayores aberturas parafacilitar el flujo de lodo espeso –a veces reducidas casi

a los radios– aportó modificaciones que se aceptaronpronto con carácter general en la tecnología de los hi-

droescudos. En primer lugar, el uso exclusivo de lodosbentoníticos, por las ventajas que ofrece la bentonita,

la regularidad de su composición y la facilidad de for-

mar con los suelos granulares un “cake”, de unos po-

cos centímetros de espesor que mejora el sostenimien-

to del frente. La segunda aportación fue la adición, en

la zona de la clave de la cámara, de un recinto de pa-redes estancas semisumergidas en el lodo y fondo

abierto, (de tono más claro en el esquema de la Figura



Fig. 3. Circuitode transporte de

un“hidroescudo” y

Planta deseparación/

Mixshieldhydraulic

transportationcircuit andseparation

plant.

in the front chamber of the shield as the advance

progresses (Figure 3).

Another advantage of this system is that the flow ofpressurized slurry occupies not only the chamber, but

also the gap between shield and terrain, therebyreducing subsidence to a minimum.

The first machines, with Japanese technology(1965-70), employed fairly closed wheels and usedslurry from any type of clay (these were called “slurry

shields”). They maintained adequate pressureregularity in the circuit by automatically varying theflow of the pumps until the established pressure wasrecovered.

On the other hand, f rom the ear ly 1990’s ,German technology, while presenting cutt ingwheels with larger openings to facilitate the flow ofthick slurry –sometimes almost reduced to the

spokes– offered changes in mixshield technologywhich were soon widely accepted. First ly, theexclusive use of bentoni te s lurry , for the

advantages offered by bentonite, the regularity of

its composition and the ease with which it forms a

“cake” with granular soils, with a thickness of a few

centimetres, which improves the support of the

front. The second contribution was the addition, in

the key area of the chamber, of an open-bottomed

4), en cuya parte superior se mantiene una “burbuja”

de aire a presión, por medio de un equipo compresor-depresor de aire, que actúa automáticamente y, coninercia prácticamente “cero”, con lo que se consiguióla regulación instantánea de la presión del circuito y,

por tanto , la de confinamiento de la cámara, resol-

viendo el importante problema de la inercia significati-

va que tiene el control de la presión por medio de la

regulación de caudales de las bombas del circuito,

que comprometía con frecuencia el funcionamiento

de todo el sistema. [1] [3] [5]

Debe señalarse también otra aportación de esta

tecnología para resolver los casos de terrenos conbloques de roca o gravas de gran tamaño (“bolos”),

que impiden el transporte hidráulico de la mezcla lo-

do-escombro. A estos efectos, el límite del tamañomáximo del material transportable hidráulicamentepuede fijarse en los 80 a 100 mm, por lo que, si se pre-

vé la presencia de tamaños mayores, el hidroescudo

ha de incorporar una machacadora de mandíbulas

(indicada simbolicamente en el gráfico de la Figura)

montada en la parte inferior del mamparo para ha-

cer la reducción de los tamaños antes de la entrada

del material a la cámara de aspiración de la bomba

principal. Estas machacadoras, con admisión de has-

ta unos 900 a 1000 mm, son de diseño muy simple y

robusto y su alimentación se hace recogiendo los blo-

ques en el fondo de la cámara con unos cangilones

dispuestos en la cara interior de la Rueda de corte,

que descargan sobre la boca de la machacadora.

Por supuesto, el problema de los bolos existentesen un terreno inestable y saturado sólo puede resol-verse con un hidro, pero eso también tiene sus limi-

taciones si el porcentaje de tamaños en el frente es

muy significativo. La realidad es que la Rueda de

corte del hidroescudo, por una parte, va desplazan-

do hacia los lados un cierto porcentaje de bolos ,

de modo que el machaqueo previo ha de aplicarse

sólo al resto, pero, es evidente que si el porcentaje

global medio de tamaños grandes supera cifras del

orden del 15% al 20% del total a excavar, los rendi-mientos llegan a no ser asumibles, con indepen-

dencia de que, sobre todo, es imposible mantenerla continuidad del proceso normal del avance y,por tanto, su viabilidad técnica.

Por ello, cuando se sobrepasan los porcentajes

citados es imprescindible un tratamiento previo delterreno por inyecciones de masa o bien implantaciónde pilotes de mortero que rellenen al menos un 50% de



enclosure with watertight walls partially submergedin the slurry (with a paler shade in the diagram of

F igure 4), at the top of which a “bubble” of

pressurized air is maintained by means of an aircompressor-decompressor uni t , which actsautomatically and with virtually “zero” inertia, withwhich instant regulation of circuit pressure wasachieved and, therefore, the confining pressure of

the chamber, solving the major problem of the

significant inertia of pressure control by regulation

of the f lows of the circuit pumps, which often

compromised the operation of the whole system. [1]

[3] [5]

We should also mention another contribution of

this technology for resolving the cases of terrain withblocks of rock or large gravel (“boulders”), which

prevent the hydraulic transport of the slurry-debris

mix. For these purposes, the maximum size limit forhydraulically transportable material can be set at80 to 100 mm, such that, if the presence of larger

sizes is expected, the mixshield has to include a

jawed crusher (indicated symbolically in the graph

of the F igure) instal led at the bottom of the

bulkhead in order to carry out the size reduction

before the material enters the suction chamber of

the main pump. These crushers , which

accommodate sizes of up to 900 to 1000 mm, are of

very simple, robust design and are fed by picking

up the blocks at the bottom of the chamber with

buckets arranged on the inside of the cutt ing

wheel, which unload into the mouth of the crusher.

Of course, the problem of boulders in unstableand saturated ground can only be solved with amixshield, but this also has its l imitations if the

percentage of sizes at the front is very significant.

The fact is that the cutting wheel of the mixshield,

on the one hand, displaces a certain percentage of

boulders to the sides, such that the prior crushing

only has to be applied to the rest, but it is evident

that if the overall average percentage of large sizes

exceeds figures of around 15% to 20% of all the

mater ial to be excavated, yields becomeimpossible to admit, regardless of the fact that,

above all, it is impossible to maintain the continuityof the normal process of advance and, therefore,its technical viability.

Therefore, when the aforementioned percentages

are exceeded, it is essential to apply prior treatment ofthe terrain with injections of mass or introduction of

la zona ocupada por los bolos, con el fin de conseguir

una consolidación suficiente para inmovilizar los tama-

ños grandes y poder hacer su corte mecánico con las

herramientas de la Rueda del hidroescudo. Esta es la

solución que se viene aplicando cuando se presentan

en los frentes franjas de bolos o bloques hasta límites di-

fíciles de establecer con cifras orientativas, porque hay

que estimar tanto la frecuencia, como las proporciones

de la presencia de dichos tamaños en las secciones su-

cesivas del trazado.

En resumen, cuando en la mayoría del trazado se

prevé que pueden alcanzarse cifras muy elevadas de

tamaños grandes, hay que estudiar cada caso en de-

talle, pero ya se comprende que en ello puede estar no

solo el límite de aplicación de los hidroescudos y, por

tanto, de la excavabilidad con tuneladora, sino incluso

de la viabilidad económica del proyecto del túnel, sea

cual fuere el sistema constructivo a aplicar(3).

Por último, en favor de la tecnología de los hidroes-cudos debe decirse que es la única que, por el mo-mento, puede aplicarse en los casos de trabajo a pre-



(3) En los casos en que no hay carga de agua, y siempre que seaposible adoptar un diseño superficial, la construcción del túnelpuede hacerse con la modalidad “cut and cover” si las condicio-nes del entorno lo permitan, o bien al amparo de pantallas. Engeneral, en tales casos no es económica la construcción con tu-neladora. Así se han estudiado diversos túneles a construir en Li-ma, Santiago de Chile y otras ciudades.

mortar piles to fill in at least 50% of the volumeoccupied by the boulders, in order to achieve

sufficient consolidation to immobilize the large sizes

and be able to cut them mechanically with the bits

of the mixshield wheel. This is the solution which has

been applied when there are strips of boulders or

blocks at the fronts up to limits difficult to establish

with indicative figures, because it is necessary to

estimate both the frequency and the proportions of

the presence of such sizes in the successive sections

of the route.

In summary, when very high figures of large sizes

are expected to be reached over most of the route,

it is necessary to study each case in detail, but it is

now understood that this may not only involve the

limit of application of mixshields and, therefore, of

excavatability with TBM, but even of the economic

viabi l i ty of the tunnel project, whatever the

construction system to be applied may be(3).

Finally, in favour of mixshield technology it shouldbe said that it is the only type that, up to now, can be

(3) In cases in which there is no water burden, and provided it isposs ible to adopt a surface design, the tunnel can beconstructed either by the “cut and cover” mode i f theenvironmental conditions allow, or protected by screens. Ingeneral, in such cases, construction with TBM is not economic.Hence, diverse tunnels to be built in Lima, Santiago de Chileand other cities have been studied.

Fig. 4. Esquemasimplificado de

un“hidroescudo”/

Mixshieldsimplifiedscheme.

siones elevadas por encima de los 5 Bar, como de-

muestra una amplia experiencia a lo largo de más de

10 años.

2.2. Los escudos de frente en presión

de tierras o escudos E.P.B.

El problema de los terrenos cohesivos, ni podía

tener una solución similar, ni se consideró tan urgen-te, ya que se mantuvo la postura de que era posible

trabajar sin riesgo de accidente en estos terrenos

con presurización integral del túnel. Por ello, la solu-

ción, que hubo de ser más compleja, no se logró

hasta bien entrados los años 1980-89, gracias a la in-

sistencia general de las autoridades sanitarias para

el abandono del trabajo a presión hiperbárica, por

razones de salubridad y de seguridad.

Por otra parte, las aplicaciones de esta nueva tec-nología de presurización exclusiva del frente para ex-

cavar terrenos cohesivos sufrieron algunos fracasos so-

nados a lo largo del periodo inicial de su adopción

(1985-90), pudiendo decir que no se logró una clara

aceptación general hasta la aplicación generalizadade los aditivos químicos, que se fue imponiendo a lo

largo de la década de los años 1990-99, y que ha al-

canzado el actual nivel técnico en los últimos 5 años.

En resumen, las bases del diseño del “escudo depresión de tierras” pueden resumirse en los 3 objetivos si-

guientes, con las correspondientes soluciones adopta-

das (Figura 5):



Fig. 5. Esquemasimplificado deun “escudo depresión detierras”/EPB Shieldsimplifiedscheme.

applied in cases of work at high pressures of above 5Bar, as shown by wide experience obtained over a

period of more than 10 years.

2.2. Earth pressure balance

or E.P.B. shields

The problem of cohesive soils could neither have

a similar solution, nor was it considered so urgent,since the position was held that it was possible to

work in such terrain without risk of accident using

whole tunnel pressurization. Therefore, the solution,

which had to be more complex, was not achieved

until well into the 1980’s, thanks to the general

insistence of health authorities on the abandonment

of hyperbaric pressure work for reasons of health

and safety.

On the other hand, the applications of this newtechnology of exclusive pressurization of the frontfor excavating cohesive soi ls suffered some

notorious failures during the initial period of use

(1985-90), it being possible to say that clear general

acceptance was not achieved until the widespreadapplication of chemical additives, which came into

use during the 1990’s, and which has reached its

current technical level over the last 5 years.

In summary, the basis for the design of the earthpressure balance shield can be summed up in the 3

fol lowing object ives, with the corresponding

solutions adopted (Figure 5):



• Presurizar el frente con una masa plástica, mezcladel terreno excavado con agua y productos quími-cos de adición, con lo que se siguió una línea similar

a la de los “hidroescudos”, en cuanto a la conten-

ción del terreno del frente.

• Extraer dicha mezcla sin pérdida de la presión pormedio de un tornillo sinfín, continuando en la misma

línea de la anterior tipología y, finalmente.

• Conseguir que la masa plástica, a la salida del tor-nillo, fuese transportable por cinta y vagón, mante-

niendo así un principio general de las TBMs: la “con-

tinuidad del proceso cíclico del avance”.

Una vez lograda la puesta a punto de los elementos

propios del diseño que se acaban de citar, el éxito de

esta tipología se consiguió con la mejora de los aditivosquímicos que, como ya se ha dicho, son fundamenta-

les para lograr una preparación adecuada del material

excavado [2] [8] [12]. Los aditivos actualmente disponi-

bles responden a los tipos siguientes:

• Productos tensoactivos (denominados también “es-pumas”) para lograr la trabajabilidad de los terrenos

cohesivos por medio de la generación de burbujas

de aire(4). Estos productos:

— Reducen el rozamiento del terreno con el acero

de la Rueda y, en consecuencia, disminuyen elPar de giro y el desgaste de las herramientas.

— Refrigeran el corte mecánico, evitando la tenden-cia general de las arcillas a endurecerse forman-do bloques que obturan las entradas a la cáma-

ra o al tornillo sinfín.

— Reducen la “pegajosidad” de las arcillas a laRueda, otra causa mas del cierre de las aberturasde entrada del material a la cámara.

— Homogenizan la mezcla en la cámara rellenando

los vacíos creados por el esponjamiento del terre-

no a excavar para conseguir el efecto de estabili-

zación del frente en la extracción con tornillo sinpérdida de presión.

(4) Son usuales las características siguientes del tensoactivo: Tasade tratamiento o FIR (“Foam Injection Rate”) que es la relación en-tre Volumen Espuma/Volumen Terreno excavado, alrededor deun 50% pero llegando muchas veces del 80%-100%. Se sirve el pro-ducto en Soluciones espumantes con concentraciones de tenso-activo CF (“Concentration Foam”) o relación Volumen Tensoacti-vo/Volumen de agua, entre 1%-5% y un Coeficiente de expansiónFER (“Foam Expansion Rate”) o relación Volumen Espuma/Volu-men Solución espumante con valores entre 5-10 y a veces 30.

• Pressurizing the front with a plastic mass, a mixtureof the excavated soil with water and chemicaladditives, by which a similar line was followed to

that of “mixshields”, with regard to the

containment of the soil at the front.

• Extracting this mixture with no loss of pressure bymeans of a screw, continuing along the same lines

as the previous types and, finally;

• Ensuring that the plastic mass coming out of thescrew can be transported by conveyor belt andwagon, thus maintaining a general principle of

TBM’s: the “continuity of the cyclic process of the

advance”.

Once the aforementioned design elements had

been perfected, the success of this type of shield was

achieved with the improvement of the chemicaladditives which, as already mentioned, are essential

in order to achieve a suitable preparation of the

excavated material [2] [8] [12]. The additives currently

available are of the following types:

• Surfactant products (also known as “foams”) to

achieve the workability of cohesive soils by the

generation of air bubbles(4). These products:

— Reduce the friction of the soil with the steel of the

wheel and, therefore, decrease the torque andwear of the tools.

— Cool the mechanical cutting, preventing the

general tendency of clays to harden formingblocks that obstruct the entrances to the

chamber or screw.

— Reduce the adhesion of the clay to the wheel,another cause of obstruction of the openings for

the entry of material to the chamber.

— Homogenize the mixture in the chamber by

filling in the gaps created by the sponging of the

soil to be excavated in order to achieve the

effect of stabil ization of the front in the

extraction by screw with no pressure loss.

(4) The following are the usual characteristics of surfactants:Treatment rate or FIR (Foam Injection Rate), which is the ratioof Foam Volume/Excavated Soil Volume, around 50%, butoften reaching 80%-100%. The product is served in foamingsolutions with surfactant concentrations CF (ConcentrationFoam) or Surfactant Volume/Water Volume ratio between 1%-5% and a FER (Foam Expans ion Rate) or FoamVolume/Foaming Solution Volume ratio of between 5-10 andsometimes 30.



Por otra parte, hay polímeros que aumentan la esta-bilidad de las burbujas de aire y que se aplican pa-

ra ello como complemento del tensoactivo elegido.

• Polímeros desestructurantes, a los que hay que recu-

rrir, como complemento de los tensoactivos, cuan-

do la alta plasticidad de algunas arcillas producen

dificultades máximas tanto por su “pegajosidad”

como por la dificultad para lograr una masa unifor-

me y trabajable. Por último [6] [7]

• Polímeros reductores de agua, imprescindibles para

impedir la disgregación de la mezcla cuando hay

arenas muy finas, generalmente de estructura mo-nogranular, es decir, con husos estrechos de tipo

vertical en el gráfico de su granulometría.

Por otra parte, las máquinas modernas suelen llevar

un equipo de inyección automática de lodo bentoníti-co para rellenar el “gap” entre escudo y terreno a unapresión del orden de 0,5 Bar por encima de la presiónde confinamiento, con lo cual es posible reducir muysensiblemente los asientos.

Con un objetivo similar, está también generalizado

el dotar a estos escudos de un equipo similar de inyec-ción automática a la cámara de lodo bentonítico,bien que con depósitos de capacidad mayor, para es-tabilizar la presión de confinamiento de las tierras, en el

rango de valores establecidos en el Procedimiento

operativo del Escudo [4] [5].

Es un hecho comprobado en las últimas obras espa-

ñolas de la red ferroviaria de Alta Velocidad que con

los Escudos EPB de última generación se han consegui-

do asientos mínimos (< 5mm) en la excavación de túne-

les en suelos con materiales cohesivos de muy diversas

granulometrías.

Finalmente, hay que señalar que esta tecnologíatiene la limitación de la presión máxima de trabajoque, por el momento ha de limitarse a los 5 Bar [9], pa-

ra escudos de diseño convencional.

3. Los campos de aplicación de los escudos

presurizados

Las diversas experiencias relativas a la excavación de

Túneles en suelos saturados e inestables con escudos de

frente en presión, se resumen en el gráfico de la Figura 6,

que relaciona la granulometría del terreno con el % de su

paso por los tamices clásicos utilizados en laboratorio.

On the other hand, there are polymers thatincrease the stability of the air bubbles and which

are therefore applied as a complement to thechosen surfactant.

• Destructuring polymers, which have to be used as

a complement to the surfactants when the highplasticity of some clays causes major difficulties

both due to their “stickiness” and due to the

difficulty of achieving a uniform, workable mass.

Finally [6] [7]

• Water-reducing polymers, necessary to prevent thedisintegration of the mixture when there are veryfine sands, generally of a monogranular structure,i.e. with narrow vertical zones in the graph of

particle size.

On the other hand, modern machines usually

include a unit for the automatic inject ion ofbentonite slurry to fill in the shield-terrain gap at apressure of around 0.5 Bar above confiningpressure, by which it is possible to significantlyreduce subsidence.

For a s imi lar purpose, i t i s also widespread

practice to provide these shields with a similarautomatic injection unit to the bentonite slurrychamber, possibly with larger capacity tanks, to

stabilize the confinement pressure of the earth, in

the range of values established in the operating

procedure of the shield [4] [5].

It is a proven fact in the latest Spanish work of the

High Speed rail network that with latest generation

EPB shields minimum subsidence (< 5mm) has been

achieved in the excavation of tunnels in soils with

cohesive materials of highly diverse particle sizes.

Finally, it should be pointed out that thistechnology has the limitation of the maximumworking pressure which, for the time being, has to belimited to 5 Bar [9], for conventional design shields.

3. Fields of application of pressurized shields

The various experiences regarding the excavation

of tunnels in saturated and unstable soils with pressure

balance shields are summarized in the graph in Figure

6, which relates the particle size of the soil with the %

passing through the classical sieves used in

laboratories.



La parte izquierda en azul del gráfico, que correspon-de a terrenos ricos en finos o, si se quiere, a terrenos co-

hesivos, es el campo ideal de empleo de los escudosE.P.B., mientras que la parte derecha en color amarillo

(terrenos no cohesivos con escasez de finos) es el cam-

po de empleo de los hidroescudos.La parte del gráfico en color gris señalada con fle-

chas, puede interpretarse, en líneas generales, como la

que corresponde a los husos granulométricos de los terre-nos en los que puede emplearse uno u otro tipo de es-cudo(5), si bien añadiendo condiciones complementa-

rias, según los casos.

Pues bien, sobre esto hay que decir lo siguiente:

• Este gráfico debe entenderse como meramente indi-cativo, por las razones siguientes:

• Cuando los husos granulométricos del terreno caen

en uno de los dos campos, la elección del tipo de es-

cudo de acuerdo con el grafico es correcta, pero es

(5) En primera aproximación, el producto de un escudo E.P.B. queexcave en roca o frentes mixtos de roca y suelos bajo carga deagua, suele corresponder a esta zona del gráfico. Por el contrario, elde los hidroescudos, que pueden trabajar en rocas no arcillosas (deltipo de las limolitas y las areniscas blandas) o en frentes mixtos conrocas similares, suele corresponder a la parte derecha del gráfico.

Fig. 6. Camposde aplicaciónde los escudospresurizados/EPBand MixshieldRange.

The left-hand, blue coloured part of the graph,corresponding to soils rich in fine particles or, if you

like, cohesive soils, is the ideal field of application of

EPB shields, whereas the right-hand, yellow coloured

part (non-cohesive soils with few fine particles) is the

field of application of mixshields.

The grey coloured part of the graph shown with

arrows can be interpreted, in general, as that

corresponding to the particle size zones of soils inwhich either type of shield can be used (5), but with

the addition of complementary conditions, according

to each case.

However, the following must be said about this:

• This graph should be understood as purelyindicative, for the following reasons:

• When the particle size zones of the soil fall within

one of the two fields, the choice of shield type in

accordance with the graph is correct, but it is

(5) As a first approximation, the product of an E.P.B. shieldexcavating in rock or mixed fronts of rock and soils under a waterburden, usually corresponds to this area of the graph. On the otherhand, that of mixshields, which can work in non-clay rocks (of thesoft sandstone and siltstone type) or in mixed fronts with similar rocks,usually corresponds to the right-hand part of the graph.



necesario elegir también los aditivos adecuados,con ensayos previos en laboratorio.

• La razón es que el conseguir un acondicionamientoadecuado del terreno, no depende sólo de la gra-nulometría de éste, sino muy señaladamente del ti-po y tasa de los aditivos empleados.

Así, por lo que se refiere a los escudos E.P.B., un deter-minado tipo de tratamiento puede mejorar de modo ra-dical la trabajabilidad de la mezcla, variando simple-mente el FIR del espumante, y manteniendo estable el

resto de valores de los otros aditivos.

• Por último, el señalar con flechas de izquierda a dere-cha lo que, en principio, debe interpretarse como

campo común a ambos tipos de escudo, no es arbi-trario, porque, como veremos seguidamente, por elmomento tienen una mayor posibilidad de empleoen esta franja del gráfico los escudos E.P.B. que loshidroescudos.

4. Los escudos E.P.B. en suelos no cohesivos

y en rocas

En el gráfico de la Figura 7 se recoge la casuística de

las posibles aplicaciones de los escudos E.P.B. en suelos

no cohesivos:

• La zona 1 es el campo ideal de utilización de este ti-po de escudos. Puede decirse que cuando el suelo

tiene del orden de un 30% ó más de materiales finos(arcillas y limos) en general puede excavarse inclu-so sin aditivos.

• La zona 2 corresponde a las excavaciones posibles

con escudos E.P.B., con empleo indispensable deaditivos químicos cuyos tipos y dosis deben decidirse

según los resultados de los estudios de laboratorio.

Un buen ejemplo de ello fue la excavación con un

escudo E.P.B. de los túneles gemelos de la línea 1 del Me-

tro de Sevilla en el tramo bajo el río Guadalquivir, en que

el corte de unos pequeños espesores de margas azules

aportó entre un 6% y un 10% de finos, lo que, con el ten-

soactivo correspondiente permitió el avance en el alu-

vial del río.

• Por último en la zona 3, puede lograrse un compor-

tamiento aceptable de dichos escudos, incorpo-

necessary also to choose the suitable additives,with prior laboratory testing.

• The reason is that achieving suitable conditioningof the soil does not depend only on the particlesize of the same, but also very significantly on thetype and rate of additives used.

Therefore, with regard to EPB shields, a particulartype of treatment can radically improve theworkability of the mix, simply by changing the FIR ofthe foaming agent, and keeping the values of the

other additives stable.

• Finally, indicating with arrows from left to rightwhat, in principle, should be interpreted as

common field for both types of shield, is notarbitrary, because, as we shall see below, at thepresent t ime EPB shields have a greaterpossibility of use than mixshields in this area ofthe graph.

4. EPB shields in non-cohesive soils and rocks

The graph in Figure 7 shows the casuistry of the

possible applications of EPB shields in non-cohesive

soils:

• Area 1 is the ideal field of application of thistype of shield. It can be said that when the soil

has around 30% or more of fine materials (clayand silt) it can generally be excavated evenwithout additives.

• Area 2 corresponds to possible excavations with

EPB shields, with essential use of chemicaladditives, whose types and proportions must be

determined according to the results of laboratory

studies.

A good example of this was the excavation with

EPB shield of the twin tunnels of Line 1 of the Seville

Metro in the section under the River Guadalquivir, in

which the cutting of some small layers of blue marl

contributed between 6% and 10% of fine material,

which, with the appropriate surfactant allowed for the

advance in the flood plain of the river.

• Finally, in area 3, acceptable performance of

these shields can be achieved by adding fine



rando finos a la cámara (además de los aditivosquímicos) por bombeo de:

— Lodos arcillosos densos preparados con materialesarcillosos de préstamos en proporciones que pue-

den variar entre e 15% y el 30% del total del material

en la cámara, ó bien

— Suspensiones en agua de otros materiales, como elpolvo de carbonato cálcico, obtenido por molien-da (actualmente en experimentación con ciertas

clases de CaCO4).

Con referencia a la obra ya citada del Metro de Se-

villa, la dificultad mayor fue la excavación en los tramos

de entrada y salida del paso bajo el río Guadalquivir,

en los que la total ausencia de finos dificultó mucho la

excavación pues, aunque se incorporó lodo bentoníti-

co a la cámara, no era suficientemente denso para lo-

grar un efecto claramente positivo.

Por otra parte, podemos añadir que los ensayos con

polvo de carbonato cálcico para añadir a las capas

de gravas a atravesar por los futuros túneles de la auto-

pista SE-40 el Río Guadalquivir en la zona de Coria del

Río (Sevilla) han dado resultados satisfactorios.

Fig. 7.Ampliación delcampo deempleo de losEscudosE.P.B./EPBShields rangeenlargement.

material to the chamber (in addition to chemicaladditives) by the pumping of:

— Dense clay slurry prepared with loaned claymaterial in proportions that can range from 15% to

30% of all the material in the chamber, or

— Suspensions in water of other materials, such ascalcium carbonate powder obtained by grinding(currently under experimentation with certain kinds

of CaCO4).

With reference to the aforementioned work on the

Seville Metro, the main difficulty was the excavation in

the entry and exit sections of the passage under the

River Guadalquivir, in which the complete absence of

fine material made excavation very difficult since,

although bentonite slurry was added to the chamber,

it was not dense enough to achieve a clearly positive

effect.

On the other hand, we can add that the trials with

calcium carbonate powder to be added to the layers

of gravel to be crossed by the future tunnels of the SE-

40 motorway under the River Guadalquivir in the area

of Coria del Río (Seville) have given satisfactory results.



• En cuanto a los aditivos químicos, debe añadirse

que algunos terrenos no cohesivos, como pueden

ser las arenas finas y los limos arenosos suelen ne-cesitar polímeros reductores de agua, además del

tensoactivo.

Todo lo anterior es aplicable al caso de rocas blan-das de matriz arcillosa (margas, argilitas y pizarras)

mientras que en los casos de matrices arenosas y rocas

de dureza media hay que recurrir a la adición de finos,además de los aditivos químicos [10].

5. Los hidroescudos en suelos cohesivos y en rocas

Los hidroescudos nacieron, como ya se ha dicho,

para resolver la excavación con escudo de suelos nocohesivos inestables y saturados pero, además, ha ve-

nido siendo difícilmente justificable su utilización en tú-

neles en terrenos cohesivos por las siguientes razones:

• La bentonita no es gratis y, por tanto, es obligada surecuperación, hoy día fácil de lograr con pérdidasmínimas (de un 1% a un 2% como máximo) con las

plantas de separación modernas, pero eso es apli-cable a los suelos no cohesivos, porque comercial-mente ha venido siendo imposible separar dos arci-llas (en este caso, la bentonita y la arcilla del terre-

no).

• Ahora bien, con la actual tecnología de las plantas

se ha conseguido separar la bentonita de un es-combro arcilloso con pérdidas limitadas (se habla

hasta de un 5%) pero, por el momento, a costa de

un incremento exagerado de la potencia de lasplantas, lo que lleva sus costes de inversión y explo-tación a cifras inaceptables.

Por todo lo anterior, hoy día sólo cabe la aplicación

de los hidroescudos a los suelos cohesivos en circuns-

tancias particulares, como pueden ser las siguientes:

• En obras situadas en la costa, con posible vertido delos escombros en alta mar, podría ser aceptable lapérdida de grandes cantidades de bentonita si,aparte de comprobar la ventaja económica (dado

el menor coste del vertido) hay autorización oficial

para ello desde el punto de vista medioambien-tal. En tal caso puede combinarse una recupera-

ción parcial del lodo, a enriquecer con lodo “fres-

• With regard to chemical additives, it should be

added that some non-cohesive soils, such as finesands and sandy silts usually require water-reducing polymers, in addition to the surfactant.

All the above is applicable to the case of softrocks with a clay matrix (marls, argillites and slates),

whereas in the case of Sandy matrices and rocks of

medium hardness it is necessary to resort to the

addition of fine materials, in addition to chemical

additives [10].

5. Mixshields in cohesive soils and rocks

Mixshields were developed, as mentioned

before, to resolve the problem of excavation with

shields of unstable and saturated non-cohesive soilsbut, moreover, it has been difficult to justify their use

in tunnels in cohesive soils for the following reasons:

• Bentonite is not free and, therefore, its recovery isobligatory, nowadays easily achieved withminimum losses (from 1% to 2% at most) with

modern separation plants, but this is applicableto non-cohesive soils, because it has beencommercially impossible to separate two clays(in this case, bentonite and the clay from the

soil).

• However, with the current technology of the

plants i t has been possible to separate thebentonite from a clay debris with limited losses(5% has been mentioned) but, at the present

t ime, at the expense of an exaggeratedincrease in the power of the plants, which raisestheir investment and operating costs tounacceptable figures.

For all the above reasons, nowadays mixshields

can only be applied to cohesive soils in particular

circumstances, such as the following:

• In projects situated on the coast, with possible

dumping of debris at sea, the loss of largeamounts of bentonite might be acceptable if,

apart f rom demonstrat ing the economic

advantage (given the lower cost of dumping),

there is official authorization to do so from the

environmental viewpoint. In this case, partial



co” para mantener la impulsión al túnel, con el

vertido del resto de la mezcla en un silo regulador

del que se cargarían los gánguiles para su vertido

final en alta mar(6).

• En el caso de disponer de escombreras autorizadaspara verter escombros arcillosos, podría ser acepta-

ble económicamente la separación del lodo conun bajo contenido en bentonita (cuya dosis se in-

crementaría desde la planta para realimentar el cir-

cuito del túnel) del grueso restante de la mezcla(escombro arcilloso con bentonita), una masa visco-

sa que puede desecarse en la planta a un coste ra-

zonable para su carga y transporte con medios

convencionales hasta la escombrera.

En resumen, todo lo expuesto confirma lo ya dicho

anteriormente: por el momento, es muy limitada la po-sibilidad de empleo de los hidroescudos en suelos co-hesivos que, en principio, corresponden al campo de

utilización de los escudos E.P.B.

La misma conclusión puede aplicarse a los casos de

rocas de matriz arcillosa, en los que la dificultad de

aplicación puede ser total si la dureza de la “roca in-

tacta” o roca matriz de la formación es alta, ya que, los

parámetros básicos (Empuje y Par de giro) de un hidro-

escudo son bastante menores que los de un escudo ti-

po E.P.B. lo que hace obligado tener que recurrir a este

último tipo de escudo en rocas duras de matriz “areno-

sa” (granitos, areniscas, etc) en aquellos casos en que

es obligado trabajar con frente en presión, por razones

de estabilidad.

6. Los modelos duales de escudos presurizados

El diseño de cada escudo, como el de todo tipo

de tuneladora, debería adaptarse a la problemática

que presenten los terrenos del trazado, de acuerdo

con lo expresado hasta aquí. Pero las características

de muchos proyectos actuales y las circunstancias

(6) La bentonita no es causa de contaminación química o biológi-ca, es decir, no es tóxica y no causa otro tipo de daños a las perso-nas, por lo que sólo puede ser rechazable su vertido al mar si las co-rrientes pueden llevarla a las playas de una zona turística por lo de-sagradable de su contacto por las personas. Es cierto que afecta alos peces por asfixia si llega a depositarse en las branquias, hipótesisque sólo es posible en el caso de ríos o de lagos, en general de pro-fundidad limitada y sin corrientes que dispersen suficientemente losvertidos. En todo caso, en España no hemos conseguido hasta aho-ra el permiso de las autoridades marítimas para hacer tales vertidos,como se han realizado en el Canal de la Mancha.

recovery of the slurry, to be enriched with “fresh”

slurry to maintain the drive of the tunnel, can be

combined with the dumping of the rest of the

mixture in a regulating silo from which the barges

would be loaded for its final dumping at sea(6).

• In the event of there being authorized tips for thedumping of clay debris, i t could be

economically acceptable to separate the slurrywith a low bentonite content (whose proportion

would be increased from the plant to feed back

into the tunnel circuit) from the remaining bulk ofthe mixture (clay debris with bentonite), a viscous

mass which can be dr ied in the plant at a

reasonable cost for loading and transport to the

tip by conventional means.

In summary, the above confirms what has been

said before: at the moment, there is a very limitedpossibility of using mixshields in cohesive soils,which, in pr inciple, correspond to the f ield of

application of EPB shields.

The same conclusion can be applied to cases of

rocks with clay matrix, in which the difficulty of

application can be absolute if the hardness of the

“intact rock” or matrix rock of the formation is high,

since the basic parameters (thrust and torque) of a

mixshield are a good deal lower than those of an

EPB type shield, making it necessary to resort to this

latter type of shield in hard rock with “sandy” matrix

(granites, sandstones, etc) in those cases in which it

is necessary to work with a pressurized front for

reasons of stability.

6. Dual models of pressurized shields

The design of each shield, like that of all types of

tunnel boring machine, should be adapted to the

problems presented by the terrain of the route, in

accordance with everything explained up to now.

(6) Bentonite is not a cause of chemical or biological solution,i.e. it is not toxic and does not cause other types of damage topeople, so dumping at sea can only be rejected if currentsmight take it to the beaches of a tourist area due to itsunpleasant contact for people. It can be a cause of asphyxiain fish if it gets into their gills, something which is only possible inrivers and lakes, generally of a limited depth and withoutcurrents to disperse the material dumped. At all events, inSpain, up to now we have not gained the permission of themaritime authorities to dump in this way, as has been done inthe British Channel.



presentes en el mercado internacional de los túneles

a construir con escudos presurizados plantean dos ti-

pos de problemas:

• Un número importante de proyectos de túneles de

las nuevas infraestructuras modernas discurren a tra-

vés de terrenos de características muy diferentes. Es

frecuente que para el escudo que va a construir un

túnel lo lógico sería adoptar las dos tipologías bási-

cas tratadas en esta ponencia.

• En otros casos, sucede que no es posible amortizar

en la obra a ejecutar la inversión que supone la

construcción del tipo de escudo concreto que hay

que fabricar, debido a la longitud limitada del túnel,

siendo muy difícil asegurar que se consiga otro pro-

yecto similar en un futuro próximo.

Los dos tipos de problemas expuestos han motiva-

do en estos últimos años la reaparición de los diseños

“duales” de escudos, para disminuir las consecuen-

cias desfavorables que se plantean a los constructo-

res [11] [14] [15].

El primer tipo de problemas plantea el diseño dualde un escudo para adoptar las dos tipologías de losescudos presurizados y el segundo se refiere más bien a

los diseños de una tipología de escudo a presión conla alternativa de escudo no presurizado. En ambos ca-

sos, la decisión depende, básicamente de las transfor-

maciones a realizar, con la duplicación necesaria, bien

sea de los componentes propios del escudo, o bien de

las instalaciones principales de transporte del escom-

bro. Sobre todo ello puede decirse lo siguiente:

• Diseño “Hidro” / “Escudo EPB”

Ha habido casos en que este diseño ha permitido

mejorar el coste final del túnel, como sucedió en la

máquina de la autopista perimetral de Paris A-86.

No obstante, la transformación, aunque haya queaplicarla una sola vez, tiene un coste muy elevado,por la necesaria duplicación de las instalacionesde transporte de escombro, (cinta continua/trans-

porte hidráulico y planta de separación) todo ello

con un coste muy importante que ha de amortizar-

se en la obra.

Hay que añadir además que es posible emplear es-cudos EPB en tramos de suelos no cohesivos (aun-

que, en principio, sean terrenos más adecuados a

su excavación con “hidroescudos”) con ciertas me-

But the characteristics of many current projects and

the present circumstances in the international

market of tunnels to be constructed with pressurized

shields pose two types of problem:

• A considerable number of tunnel projects for new

modern infrastructures pass through terrain with

very different characteristics. It may be often

logical to adopt the two basic types of shield dealt

with in this paper for the construction of a tunnel.

• In other cases, it is not possible to amortize in the

project to be implemented the investment

involved in the construction of the specific type

of shield to be built, due to the limited length of

the tunnel, it being very difficult to ensure that

another similar project wil l arise in the near

future.

The two types of problem indicated have led to

the reappearance in recent years of “dual” shield

designs, to reduce the adverse consequences

faced by builders [11] [14] [15].

The first type of problem raises the possibility of a

dual shield design to include the two types ofpressurized shield and the second refers rather to

des igns of a pressur ized type shield wi th thealternative of a non-pressurized shield. In both

cases, the decis ion depends basical ly on the

transformat ions to be carr ied out , wi th the

necessary dupl icat ion e i ther of the sh ie ld

components themselves or of the main debris

transport faci l i t ies. With regard to al l this , the

following can be said:

• “Mixshield” / “EPB shield” design

There have been cases in which this design has

made it possible to improve the final cost of the

tunnel, as in the case of the machine used on

the A-86 Paris perimeter motorway.

However, transformation, even if it only has totake place once, has a very high cost, due tothe necessary dupl icat ion of the debr istransport facil i t ies (conveyor belt/hydraulic

transport and separation plant), all of which

has involved a major cost that has to be

amortized in the work.

We should also add that it is possible to use EPBshields in sections of non-cohesive soil (even



didas complementarias ya comentadas, lo que es

una razón más en contra de este tipo de diseño

dual.

Por todo ello, es previsible que este diseño se adop-te en el futuro con una frecuencia baja y siempre

que se compruebe previamente que el coste final

de obra se puede mejorar.

Y, por lo que refiere a los diseños “duales” quecontemplan la alternativa al escudo presurizado conescudos abiertos o no presurizados, puede decirse

que la mejora indudable de los reconocimientos y en-

sayos previos de los terrenos del trazado ha hecho

posible tomar la decisión correcta del empleo de los

modelos duales en tramos concretos de cada pro-

yecto con la consiguiente reducción del coste cuan-

do se trabaja en “modo abierto”.

7. Conclusiones

El resumen de los aspectos principales comentados

en esta comunicación se exponen a continuación, co-

mo Conclusiones de la misma.

1) El trabajo continuado con escudos abiertos en con-diciones hiperbáricas para la estabilización de los

frentes está totalmente abandonado por razonesde Seguridad e Higiene.Solamente sigue aplicándose a operaciones auxi-liares o de mantenimiento, de una duración limita-

da y siempre con máquina parada.

2) Las dos tipologías actuales de escudospresurizados, “escudos de frente en presión de lo-

dos” o “hidroescudos” y “escudos de frente en pre-

sión de tierras” o “escudos E.P.B.” tienen sus camposde aplicación óptima perfectamente definidos.

3) Los “hidroescudos” modernos utilizan lodo bentoníti-co para la contención del frente y la reducción deasientos debidos al “gap” entre escudo y terreno,

siendo la solución plenamente lograda para la ex-cavación en terrenos no cohesivos.

4) Las plantas modernas que completan el trabajo

del “hidroescudo” logran una separación del es-

combro con pérdidas mínimas de bentonita (1%

a 2%). Por otra parte se consigue la obtención

de un escombro suficientemente seco que per-mite la carga y transporte con medios conven-cionales.

though, in principle, they are soils more suitable

for excavation with “mixshields”) with certain

complementary measures already mentioned,

which is one more reason against this type of

dual design.

Therefore, it is foreseeable that this design will beused in the future at a low frequency and only

when it is previously demonstrated that the final

cost of the project can be improved.

And with regard to “dual” designs that involvethe combination of pressurized shield with open ornon-pressurized shield , we can say that the

undoubted improvement of the reconnaissance

and prior testing of the terrain of the route has made

it possible to make the right decision about the use

of dual models in specific sections of each project

with the resulting cost reduction when working in

“open mode”.

7. Conclusions

The summary of the main aspects discussed in

this communication is shown below, as conclusions

to the same.

1) Continuous work with open shields in hyperbaricconditions for the stabilization of fronts has been

totally abandoned for health and safety reasons.I t i s now only appl ied to ancil lary ormaintenance operations, of limited duration and

always with the machine at a standstill.2) The two current types of pressurized shield, “mud

pressure balance shields” or “mixshields” and

“earth pressure balance shields” or “E.P.B.

shields” have perfectly defined optimum fields ofapplication.

3) Modern “mixshields” use bentonite slurry forcontainment of the front and reduction ofsubsidence cause by the shield-terrain gap, this

solution being fully developed for excavation innon-cohesive soils.

4) Modern plants that complete the work of the

“mixshield” achieve separation of debris with

minimum loss of bentonite (1% to 2%). At the

same time, they manage to obtain a sufficientlydry debris to permit loading and transport withconventional means.



5) Los últimos desarrollos de las plantas han consegui-

do separar la bentonita de un escombro arcilloso,

pero con un aumento de la potencia de las mismas

que lleva los costes de inversión y explotación a ci-fras no asumibles, lo que, de momento, retrasa la

posibilidad de empleo de un “hidroescudo” en te-

rrenos cohesivos.

6) Los “escudos E.P.B.” modernos han conseguido, jun-

to con el empleo de los aditivos químicos actuales,lograr una “mezcla” de tierras de la cámara que

cumple satisfactoriamente las condiciones de con-tención del frente y permite su extracción de la cá-mara sin pérdida de presión por medio de un torni-llo sinfín, controlando, a su vez el peso del material

extraído, por lo que esta tipología es la solución óp-tima para la excavación en terrenos cohesivos.

7) La limitación de asientos en estos escudos se ha

conseguido con la inyección automática de lodobentonítico al “gap” entre escudo y terreno.Un sistema automático similar, permite regular el

mantenimiento de la presión de tierras en la cáma-ra en los márgenes debidos.

8) La utilización de los “escudos E.P.B” en tramos demateriales no cohesivos es posible en una gran par-

te de los casos, por lo que esta tipología es la que,

por el momento, mejor se adapta al empleo en te-

rrenos que corresponden a la zona límite poco defi-nida, que separa los campos de aplicación ideal

de las dos tipologías.

9) Actualmente son frecuentes los diseños “duales” so-

bre todo de “escudo no presurizado” con “escudo

de frente en presión”. u

5) The latest developments in plants have

managed to separate the bentonite from claydebris, but with an increase in the power of the

plants which raises the investment and operatingcosts to unacceptable levels, which, at the

moment, delays the poss ibi l i ty of us ing a

“mixshield” in cohesive soils.

6) Modern “E.P.B. shields”, combined with the use of

current chemical additives, have managed toachieve a “mix” of soils in the chamber that

satisfactorily fulfils the conditions of containmentof the front and allows for its extraction from thechamber without loss of pressure by means of ascrew, controll ing, in turn, the weight of the

mater ial extracted, making this type theoptimum solution for excavation in cohesivesoils.

7) The limitation of subsidence in these shields has

been achieved with the automatic injection ofbentonite slurry into the shield-terrain gap.A similar automatic system makes it possible to

regulate the maintenance of earth pressure inthe chamber within the appropriate margins.

8) The use of “E.P.B. shields” in sections of non-cohesive material is possible in most cases, such

that this type is the one which, at the moment, is

best adapted for use in terrains corresponding to

the poorly defined limit area between the idealfields of application of the two types.

9) “Dual” designs are currently common, above all

the models of “non-pressurized shield” with

“earth pressure balance shield”. u

Referencias/References:

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Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de...

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